Show simple item record

Convolutional Neural Networks for Automated Detection of ULF Waves in Swarm Time Series

dc.contributor.advisorΜπαλάσης, Γεώργιος
dc.contributor.authorΑντωνοπούλου, Αλεξάνδρα
dc.date.accessioned2024-08-27T09:57:00Z
dc.date.available2024-08-27T09:57:00Z
dc.date.issued2020-09-25
dc.identifier.urihttps://amitos.library.uop.gr/xmlui/handle/123456789/8170
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.26263/amitos-1672
dc.descriptionΜ.Δ.Ε. 81el
dc.description.abstractUltra-low frequency (ULF) magnetospheric plasma waves play a key role in the dynamics of the Earth’s magnetosphere and, therefore, their importance in Space Weather studies is indisputable. Magnetic field measurements from recent multi-satellite missions (e.g. Cluster, THEMIS, Van Allen Probes and Swarm) are currently advancing our knowledge on the physics of ULF waves. In particular, Swarm satellites, one of the most successful mission for the study of the near-Earth electromagnetic environment, have contributed to the expansion of data availability in the topside ionosphere, stimulating much recent progress in this area. Coupled with the new successful developments in artificial intelligence (AI), we are now able to use more robust approaches devoted to automated ULF wave event identification and classification. The goal of this effort is to use a deep learning method in order to classify ULF wave events using magnetic field data from Swarm. We construct a Convolutional Neural Network (CNN) that takes as input the wavelet spectrum of the Earth’s magnetic field variations per track, as measured by each one of the three Swarm satellites, and whose building blocks consist of two convolution layers, two pooling layers and a fully connected (dense) layer, aiming to classify ULF wave events in four different categories: 1) Pc3 wave events (i.e., frequency range 20-100 MHz), 2) non-events, 3) false positives, and 4) plasma instabilities. Our primary experiments show promising results, yielding successful identification of almost 90% accuracy. We are currently working on producing larger training/test datasets, by analyzing Swarm data from the mid-2014 onwards, when the final constellation was formed, aiming to construct a dataset comprising of more than 50000 wavelet image inputs for our network.el
dc.format.extentσελ. 55el
dc.language.isoenel
dc.publisherΠανεπιστήμιο Πελοποννήσουel
dc.rightsΑναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/*
dc.titleConvolutional Neural Networks for Automated Detection of ULF Waves in Swarm Time Seriesel
dc.title.alternativeΣυνελικτικά νευρωνικά δίκτυα για αυτοματοποιημένη ανίχνευση κυμάτων ULF σε χρονοσειρές Swarmel
dc.typeΜεταπτυχιακή διπλωματική εργασίαel
dc.contributor.committeeΚουτρουμπας, Κωνσταντίνος
dc.contributor.committeeΡοντογιαννης, Αθανάσιος
dc.contributor.departmentΤμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιώνel
dc.contributor.facultyΣχολή Οικονομίας και Τεχνολογίαςel
dc.contributor.masterΔιαστημική Επιστήμη, Τεχνολογίες και Εφαρμογέςel
dc.description.abstracttranslatedΤα κύματα εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας, γνωστά ως κύματα ULF (Ultra-Low Frequency waves) παίζουν σημαντικό ρόλο στη δυναμική της γήινης μαγνητόσφαιρας, και επομένως η σημασία τους στη μελέτη του διαστημικού καιρού είναι αδιαμφισβήτητη. Μετρήσεις μαγνητικού πεδίου από πρόσφατες δορυφορικές αποστολές (π.χ. Cluster, THEMIS, Van Allen Probes και Swarm) συμβάλουν σημαντικά στην διεύρυνση των γνώσεών μας πάνω στη φυσική που διέπει τα κύματα ULF. Πιο συγκεκριμένα, οι δορυφόροι Swarm, μία από τις πιο επιτυχημένες δορυφορικές αποστολές για τη μελέτη του ηλεκτρομαγνητικού περιβάλλοντος γύρω από τη Γη, έχει συμβάλει στη επέκταση των διαθέσιμων δεδομένων που αφορούν την ανώτερη (topside) ιονόσφαιρα, οδηγώντας πρόσφατα σε μεγάλη πρόοδο στον τομέα. Σε συνδυασμό με τη μεγάλη εξέλιξη στον τομέα της μηχανικής μάθησης (machine learning), είμαστε πλέον σε θέση να χρησιμοποιούμε προηγμένες μεθόδους που αποσκοπούν στην αυτοματοποιημένη αναγνώριση και ταξινόμηση των διάφορων ULF γεγονότων. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η χρήση μίας μεθόδου βαθιάς μάθησης (deep learning), για την ταξινόμηση γεγονότων ULF χρησιμοποιώντας δεδομένα μαγνητικού πεδίου από την αποστολή Swarm. Κατασκευάζουμε ένα συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο (convolutional neural network) το οποίο δέχεται ως είσοδο μία σειρά εικόνων, που αναπαριστούν τα φάσματα της ισχύος συναρτήσει της συχνότητας και του χρόνου, οι οποίες έχουν προκύψει ύστερα από wavelet μετασχηματισμούς στις χρονοσειρές μαγνητικού πεδίου ανά δορυφορική τροχιά. Η βασική αρχιτεκτονική του δικτύου έχει ως εξής: δύο συνελικτικά επίπεδα (convolutional layers) και δύο επίπεδα χωρικής υποδειγματοληψίας (pooling layers), εναλλασσόμενα μεταξύ τους, και ένα πλήρως συνδεδεμένο επίπεδο (fully connected layer) στο τέλος προκειμένου να δημιουργήσει το μοντέλο απόφασης (classification). Σκοπός του δικτύου είναι να ταξινομήσει γεγονότα ULF σε 4 κατηγορίες: 1) κύματα ULF κατηγορίας Pc3 (εύρος συχνοτήτων 20-100 MHz), 2) θόρυβος, 3) ψευδώς θετικά γεγονότα, και 4) ηλεκτρομαγνητικές αστάθειες του πλάσματος. Τα πρωταρχικά μας πειράματα δίνουν πολύ αισιόδοξα αποτελέσματα, αποδίδοντας επιτυχή αναγνώριση γεγονότων ULF με ακρίβεια σχεδόν 90%. Μελλοντικός στόχος είναι η επέκταση της εργασίας κατασκευάζοντας μεγαλύτερα σύνολα δεδομένων (training/test datasets), με την ανάλυση δεδομένων Swarm από τα μέσα του 2014 και έπειτα, όπου πραγματοποιήθηκε η τελική διαμόρφωση του σχηματισμού των τριών δορυφόρων, για τη δημιουργία τουλάχιστον 50000 δειγμάτων εισόδου (50000 ζεύγη που το καθένα αποτελείται από μία φασματική εικόνα και την κατηγορία στην οποία αυτή ανήκει (class label)) για το δίκτυό μας.el


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα
Except where otherwise noted, this item's license is described as
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα